基于CC2510的輸液監測無線終端的軟件設計

溫略欽 李艷 葉濤 朱學峰

1 引言

隨著社會對醫院現代化醫療要求的不斷提高，自動化與信息化的醫療設備及管理體系受到了更多的關注。現階段，醫院在資金、物流等管理領域已經普及了信息化管理體系，在掃描、內窺等診斷領域亦普及了信息化醫療設備。但是在醫療輔助方面，例如靜脈輸液，依然以人力管理為主。靜脈輸液雖操作簡單，但也因沒有高效的輔助工具而耗費了醫院大量的人力資源。因此，設計出一套準確、有效的輸液監測系統具有重要意義。

本文首先簡述輸液監測系統的總體架構，在第3部分簡述無線終端的目標功能及程序流程，并討論終端滴速檢測、報警判斷和基于CC2510的2.4GHz無線網絡的程序設計方法。最后，通過實測證明設計是有效的。

2 系統結構簡介

系統由上位機(PC)、數據中心(Access Point，AP)及多臺無線終端(Wireless End-Device，WED)構成，如圖1所示。

圖1 無線輸液監測系統的組成

無線終端 WED準確、及時地檢測輸液速度并通過無線網絡向數據中心 AP發送實時數據，當發現故障或意外時啟動聲光報警，并向AP發送報警信息。AP接收多臺WED的實時數據并上傳給上位機PC。PC為醫護人員提供了一個集成監控的環境，從集成監控界面中，醫護人員可以查看就醫人員信息、輸液速度等，并及時發現報警信息。

檢測輸液速度是本系統的基本功能。經實驗，本文采用的對射型紅外傳感器能夠準確地檢測液滴速度。液滴會影響紅外傳感器對射的紅外線，使傳感器引腳電平發生變化。使用電壓比較器處理變化的電平信號，可輸出能被控制器所識別的標準信號[1]。

CC2510單片機在具備增強型 8051核心的基礎上，集成了2.4GHz射頻通訊功能。可保證多臺WED工作情況下的通信速度[2,3]。利用CC2510能夠輕松構建具備2.4GHz射頻網絡通訊能力的AP與WED。

3 無線終端WED程序設計

3.1 整體軟件架構

WED的總體程序架構如圖2所示。WED的固件程序由滴速檢測、報警判斷、數據打包和數據發送幾個部分組成。

3.2 滴速檢測程序

滴速檢測程序的目的是實時地檢測出輸液速度，為后續的報警判斷、數據打包和傳送提供原始數據。對射型紅外傳感器及電壓比較器組成的硬件電路將為控制器提供標準脈沖信號[4]。

圖2 WED的總體程序架構

CC2510帶有一個常規的16位計時器Timer1和兩個8位計時器Timer3/4。選用16位Timer1，并將液滴脈沖以外部中斷形式接入 MCU，可得到最精確的液滴間隔計數值D。設Timer1計數頻率為f，通過式(1)可得到液滴間隔時長t，單位為秒(s)。

Timer1的計數頻率f由系統時鐘fSYS和分頻因數N決定。

本程序期望得到每分鐘的滴液次數，即滴速v，單位為滴每分鐘，所以有

綜合以上各式，可得滴速的計算公式

單位為滴每分鐘。

CC2510支持高達26MHz的晶振，分頻因數N可在1、8、32或128中選擇。N的確定需要在相應寄存器設置。選定N之后，公式簡化為

即使選擇128分頻，f也高達203125，需要存放于一個 longint型變量中。編寫程序時應當注意各個變量的數據類型，防止運算錯誤。

3.3 報警判斷程序

WED開始工作時將從AP獲取當前輸液過程的相關信息，包括允許的最高及最低輸液速度。報警判斷程序將判斷滴速檢測程序輸出的每個速度值，當滴速越限（過高或過低）時啟動聲光報警，并在數據包中加入報警信息。用程序表示如下：

if(V>>Vmax||V<

alarm();

其中alarm()子程序管理聲光報警，并選擇需要上傳的命令碼類型，見表2。該子程序應根據硬件具體編寫，在此不再贅述。

3.4 數據打包程序

數據打包程序包含了一個簡單的通信協議。為了保證無線通信的質量，本文在CC2510具備的硬件通信協議基礎上，另外制定了可滿足使用需求的通信協議。由于本文所設計系統具有通信量較小、使用環境較復雜、活動性高等特點，本文所制定的協議應具備以下特點：簡易、封裝成幀、差錯檢測、固定的傳輸格式和透明性。

根據此需求，本文制定的無線通信協議的數據幀格式如表1所示[5]，每單元格表示一個字節。

表1 無線通信協議數據幀格式

各字段的作用如下：

起始碼：標志數據包合法開端。

地址碼：標志數據包來源WED。

命令碼：WED判斷所得的處理方法。

數據段：存放滴速和報警信息等數據。

校驗碼：校驗數據包有效性。

結束碼：標志數據包合法結尾。

校驗時取數據包前六個字節進行異或，即

設定命令碼的目的在于減少 AP的工作強度。WED在報警判斷程序中為當前數據判斷出恰當處理方案，AP只需要根據命令碼做出相應的處理。這使AP不需對現場狀態進行進一步分析，也提高了整體系統的執行效率。

表2 命令碼表

本文根據系統工作的各種狀態，使用了如表2所示的命令碼。表中命令碼在AP與WED中是通用的，其中1和3僅為AP向WED發送有效。

3.5 數據發送程序

CC2510單片機集成2.4GHz射頻收發模塊，設置相應的寄存器就可激活射頻收發功能。關于寄存器的設置可參考相應手冊，本文只討論組建網絡中 WED的程序控制。

一臺AP與多臺WED構建成典型的星狀網絡拓撲。AP通過輪詢方式訪問每一臺工作中的 WED。WED在開始工作時向 AP提出申請，AP根據使用WED輸液病人的床號將對應的WED地址填入動態列表，作為輪詢依據。工作中的WED接收到AP的訪問請求時，將以中斷方式調用無線數據發送子程序。圖3是WED發送數據的程序流程。

圖3 WED工作程序流程圖

4 調試與測試

首先進行數據中心AP與無線終端WED的通信測試。測試時共有三臺WED及一臺AP。測試數據包出數值外，與實際應用無異。經過測試，三臺WED均可與主機正常通信。AP輪詢三臺WED耗時約150毫秒。換算為50臺WED，查詢時間約為2.5秒。現場有障礙最大通信距離約20米，無遮擋通信距離約為50米。因此，工作環境對通信的影響比較大。

紅外檢測模塊測試中發現，靜止或小范圍晃動時，液滴檢測準確；移動或晃動劇烈時，檢測則會出現較大誤差。

最后測試的是報警模塊。設置了報警閥值之后運行WED，調節輸液速度，當滴速過快或過慢時，WED準確發出越限報警。

為了得到更進一步數據，筆者作了總體性能測試。在開啟紅外檢測模塊、報警模塊和無線通信模塊的情況下，AP輪詢三臺WED的時間延長為170毫秒，其他數據及參數均無變化。

5 結語

本文針對醫院輸液治療耗費人力資源、管理繁瑣復雜等具體情況，討論了輸液監測系統無線終端的程序設計。經過硬件設計，軟件調試之后制出模型機，實現了期望的功能。但是，通過實測發現，此系統在輪詢速度、對環境的適應能力等方面還存在一些缺點，若要投入實用，還需要加以研究和改進。希望本文所討論的無線輸液監測系統能夠為醫院輸液治療室的信息化管理與實時監控提供一定的技術參考，促進現代化醫療在我國的發展。

[1] 張宏建,蒙建波.自動檢測技術與裝置[M].北京:化學工業出版社,2006

[2] 李文仲,段朝玉.CC1110/CC2510無線單片機和無線自組織網絡入門與實戰[M].北京:北京航空航天大學出版社,2008

[3] 李彩虹，李貽斌.基于CC2510的無線傳感器網絡節點設計[J].微計算機信息:傳感器與儀表,2007,23(1):159～161

[4] 胡漢才.單片機原理及其接口技術（第2版）[M].北京:清華大學出版社,2006

[5] 丸山修孝,王慶.通信協議技術[M].北京:科學出版社,2004